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Java NIO:Buffer、Channel 和 Selector

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來源:JavaDoop ,

javadoop.com/post/java-nio

本文將介紹 Java NIO 中三大組件 Buffer、Channel、Selector 的使用。

本來要一起介紹非阻塞 IO 和 JDK7 的異步 IO 的,不過因為之前的文章真的太長了,有點影響讀者閱讀,所以這裡將它們放到另一篇文章中進行介紹。

Buffer

一個 Buffer 本質上是記憶體中的一塊,我們可以將資料寫入這塊記憶體,之後從這塊記憶體獲取資料。

java.nio 定義了以下幾個 Buffer 的實現,這個圖讀者應該也在不少地方見過了吧。

其實核心是最後的 ByteBuffer,前面的一大串類只是包裝了一下它而已,我們使用最多的通常也是 ByteBuffer。

我們應該將 Buffer 理解為一個陣列,IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分別對應 int[]、char[]、double[] 等。

MappedByteBuffer 用於實現記憶體映射檔案,也不是本文關註的重點。

我覺得操作 Buffer 和運算元組、類集差不多,只不過大部分時候我們都把它放到了 NIO 的場景裡面來使用而已。下麵介紹 Buffer 中的幾個重要屬性和幾個重要方法。

position、limit、capacity

就像陣列有陣列容量,每次訪問元素要指定下標,Buffer 中也有幾個重要屬性:position、limit、capacity。

最好理解的當然是 capacity,它代表這個緩衝區的容量,一旦設定就不可以更改。比如 capacity 為 1024 的 IntBuffer,代表其一次可以存放 1024 個 int 型別的值。一旦 Buffer 的容量達到 capacity,需要清空 Buffer,才能重新寫入值。

position 和 limit 是變化的,我們分別看下讀和寫操作下,它們是如何變化的。

position 的初始值是 0,每往 Buffer 中寫入一個值,position 就自動加 1,代表下一次的寫入位置。讀操作的時候也是類似的,每讀一個值,position 就自動加 1。

從寫操作樣式到讀操作樣式切換的時候(flip),position 都會歸零,這樣就可以從頭開始讀寫了。

Limit:寫操作樣式下,limit 代表的是最大能寫入的資料,這個時候 limit 等於 capacity。寫結束後,切換到讀樣式,此時的 limit 等於 Buffer 中實際的資料大小,因為 Buffer 不一定被寫滿了。

初始化 Buffer

每個 Buffer 實現類都提供了一個靜態方法 allocate(int capacity) 幫助我們快速實體化一個 Buffer。如:

ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(1024);

IntBuffer intBuf = IntBuffer.allocate(1024);

LongBuffer longBuf = LongBuffer.allocate(1024);

// …

另外,我們經常使用 wrap 方法來初始化一個 Buffer。

public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {

    …

}

填充 Buffer

各個 Buffer 類都提供了一些 put 方法用於將資料填充到 Buffer 中,如 ByteBuffer 中的幾個 put 方法:

// 填充一個 byte 值

public abstract ByteBuffer put(byte b);

// 在指定位置填充一個 int 值

public abstract ByteBuffer put(int index, byte b);

// 將一個陣列中的值填充進去

public final ByteBuffer put(byte[] src) {…}

public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length) {…}

上述這些方法需要自己控制 Buffer 大小,不能超過 capacity,超過會拋 java.nio.BufferOverflowException 異常。

對於 Buffer 來說,另一個常見的操作中就是,我們要將來自 Channel 的資料填充到 Buffer 中,在系統層面上,這個操作我們稱為讀操作,因為資料是從外部(檔案或網絡等)讀到記憶體中。

int num = channel.read(buf);

上述方法會傳回從 Channel 中讀入到 Buffer 的資料大小。

提取 Buffer 中的值

前面介紹了寫操作,每寫入一個值,position 的值都需要加 1,所以 position 最後會指向最後一次寫入的位置的後面一個,如果 Buffer 寫滿了,那麼 position 等於 capacity(position 從 0 開始)。

如果要讀 Buffer 中的值,需要切換樣式,從寫入樣式切換到讀出樣式。註意,通常在說 NIO 的讀操作的時候,我們說的是從 Channel 中讀資料到 Buffer 中,對應的是對 Buffer 的寫入操作,初學者需要理清楚這個。

呼叫 Buffer 的 flip() 方法,可以進行樣式切換。其實這個方法也就是設置了一下 position 和 limit 值罷了。

public final Buffer flip() {

    limit = position; // 將 limit 設置為實際寫入的資料數量

    position = 0; // 重置 position 為 0

    mark = -1; // mark 之後再說

    return this;

}

對應寫入操作的一系列 put 方法,讀操作提供了一系列的 get 方法:

// 根據 position 來獲取資料

public abstract byte get();

// 獲取指定位置的資料

public abstract byte get(int index);

// 將 Buffer 中的資料寫入到陣列中

public ByteBuffer get(byte[] dst)

附一個經常使用的方法:

new String(buffer.array()).trim();

當然了,除了將資料從 Buffer 取出來使用,更常見的操作是將我們寫入的資料傳輸到 Channel 中,如通過 FileChannel 將資料寫入到檔案中,通過 SocketChannel 將資料寫入網絡發送到遠程機器等。對應的,這種操作,我們稱之為寫操作。

int num = channel.write(buf);

mark() & reset()

除了 position、limit、capacity 這三個基本的屬性外,還有一個常用的屬性就是 mark。

mark 用於臨時儲存 position 的值,每次呼叫 mark() 方法都會將 mark 設值為當前的 position,便於後續需要的時候使用。

public final Buffer mark() {

    mark = position;

    return this;

}

那到底什麼時候用呢?考慮以下場景,我們在 position 為 5 的時候,先 mark() 一下,然後繼續往下讀,讀到第 10 的時候,我想重新回到 position 為 5 的地方重新來一遍,那隻要調一下 reset() 方法,position 就回到 5 了。

public final Buffer reset() {

    int m = mark;

    if (m < 0)

        throw new InvalidMarkException();

    position = m;

    return this;

}

rewind() & clear() & compact()

rewind():會重置 position 為 0,通常用於重新從頭讀寫 Buffer。

public final Buffer rewind() {

    position = 0;

    mark = -1;

    return this;

}

clear():有點重置 Buffer 的意思,相當於重新實體化了一樣。

通常,我們會先填充 Buffer,然後從 Buffer 讀取資料,之後我們再重新往裡填充新的資料,我們一般在重新填充之前先呼叫 clear()。

public final Buffer clear() {

    position = 0;

    limit = capacity;

    mark = -1;

    return this;

}

compact():和 clear() 一樣的是,它們都是在準備往 Buffer 填充新的資料之前呼叫。

前面說的 clear() 方法會重置幾個屬性,但是我們要看到,clear() 方法並不會將 Buffer 中的資料清空,只不過後續的寫入會改寫掉原來的資料,也就相當於清空了資料了。

而 compact() 方法有點不一樣,呼叫這個方法以後,會先處理還沒有讀取的資料,也就是 position 到 limit 之間的資料(還沒有讀過的資料),先將這些資料移到左邊,然後在這個基礎上再開始寫入。很明顯,此時 limit 還是等於 capacity,position 指向原來資料的右邊。

Channel

所有的 NIO 操作始於通道,通道是資料來源或資料寫入的目的地,主要地,我們將關心 java.nio 包中實現的以下幾個 Channel:

  • FileChannel:檔案通道,用於檔案的讀和寫

  • DatagramChannel:用於 UDP 連接的接收和發送

  • SocketChannel:把它理解為 TCP 連接通道,簡單理解就是 TCP 客戶端

  • ServerSocketChannel:TCP 對應的服務端,用於監聽某個端口進來的請求

這裡不是很理解這些也沒關係,後面介紹了代碼之後就清晰了。還有,我們最應該關註,也是後面將會重點介紹的是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

Channel 經常翻譯為通道,類似 IO 中的流,用於讀取和寫入。它與前面介紹的 Buffer 打交道,讀操作的時候將 Channel 中的資料填充到 Buffer 中,而寫操作時將 Buffer 中的資料寫入到 Channel 中。

至少讀者應該記住一點,這兩個方法都是 channel 實體的方法。

FileChannel

我想檔案操作對於大家來說應該是最熟悉的,不過我們在說 NIO 的時候,其實 FileChannel 並不是關註的重點。而且後面我們說非阻塞的時候會看到,FileChannel 是不支持非阻塞的。

這裡算是簡單介紹下常用的操作吧,感興趣的讀者瞄一眼就是了。

初始化:

FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File(“/data.txt”));

FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel();

當然了,我們也可以從 RandomAccessFile#getChannel 來得到 FileChannel。

讀取檔案內容:

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

int num = fileChannel.read(buffer);

前面我們也說了,所有的 Channel 都是和 Buffer 打交道的。

寫入檔案內容:

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

buffer.put(“隨機寫入一些內容到 Buffer 中”.getBytes());

// Buffer 切換為讀樣式

buffer.flip();

while(buffer.hasRemaining()) {

    // 將 Buffer 中的內容寫入檔案

    fileChannel.write(buffer);

}

SocketChannel

我們前面說了,我們可以將 SocketChannel 理解成一個 TCP 客戶端。雖然這麼理解有點狹隘,因為我們在介紹 ServerSocketChannel 的時候會看到另一種使用方式。

打開一個 TCP 連接:

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(“https://www.javadoop.com”, 80));

當然了,上面的這行代碼等價於下麵的兩行:

// 打開一個通道

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

// 發起連接

socketChannel.connect(new InetSocketAddress(“https://www.javadoop.com”, 80));

SocketChannel 的讀寫和 FileChannel 沒什麼區別,就是操作緩衝區。

// 讀取資料

socketChannel.read(buffer);

 

// 寫入資料到網絡連接中

while(buffer.hasRemaining()) {

    socketChannel.write(buffer);   

}

不要在這裡停留太久,先繼續往下走。

ServerSocketChannel

之前說 SocketChannel 是 TCP 客戶端,這裡說的 ServerSocketChannel 就是對應的服務端。

ServerSocketChannel 用於監聽機器端口,管理從這個端口進來的 TCP 連接。

// 實體化

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

// 監聽 8080 端口

serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

 

while (true) {

    // 一旦有一個 TCP 連接進來,就對應創建一個 SocketChannel 進行處理

    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

}

這裡我們可以看到 SocketChannel 的第二個實體化方式

到這裡,我們應該能理解 SocketChannel 了,它不僅僅是 TCP 客戶端,它代表的是一個網絡通道,可讀可寫。

ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了,因為它並不實際處理資料,它一旦接收到請求後,實體化 SocketChannel,之後在這個連接通道上的資料傳遞它就不管了,因為它需要繼續監聽端口,等待下一個連接。

DatagramChannel

UDP 和 TCP 不一樣,DatagramChannel 一個類處理了服務端和客戶端。

科普一下,UDP 是面向無連接的,不需要和對方握手,不需要通知對方,就可以直接將資料包投出去,至於能不能送達,它是不知道的

監聽端口:

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();

channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

buf.clear();

 

channel.receive(buf);

發送資料:

String newData = “New String to write to file…”

                    + System.currentTimeMillis();

 

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

buf.clear();

buf.put(newData.getBytes());

buf.flip();

 

int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress(“jenkov.com”, 80));

Selector

NIO 三大組件就剩 Selector 了,Selector 建立在非阻塞的基礎之上,大家經常聽到的 多路復用 在 Java 世界中指的就是它,用於實現一個執行緒管理多個 Channel。

讀者在這一節不能消化 Selector 也沒關係,因為後續在介紹非阻塞 IO 的時候還得說到這個,這裡先介紹一些基本的接口操作。

首先,我們開啟一個 Selector。你們愛翻譯成選擇器也好,多路復用器也好。

Selector selector = Selector.open();

將 Channel 註冊到 Selector 上。前面我們說了,Selector 建立在非阻塞樣式之上,所以註冊到 Selector 的 Channel 必須要支持非阻塞樣式,FileChannel 不支持非阻塞,我們這裡討論最常見的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

// 將通道設置為非阻塞樣式,因為預設都是阻塞樣式的

channel.configureBlocking(false);

// 註冊

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

 

register 方法的第二個 int 型引數(使用二進制的標記位)用於表明需要監聽哪些感興趣的事件,共以下四種事件:

SelectionKey.OP_READ

對應 00000001,通道中有資料可以進行讀取

SelectionKey.OP_WRITE

對應 00000100,可以往通道中寫入資料

SelectionKey.OP_CONNECT

對應 00001000,成功建立 TCP 連接

SelectionKey.OP_ACCEPT

對應 00010000,接受 TCP 連接

我們可以同時監聽一個 Channel 中的發生的多個事件,比如我們要監聽 ACCEPT 和 READ 事件,那麼指定引數為二進制的 00010001 即十進制數值 17 即可。

註冊方法傳回值是 SelectionKey 實體,它包含了 Channel 和 Selector 信息,也包括了一個叫做 Interest Set 的信息,即我們設置的我們感興趣的正在監聽的事件集合。

呼叫 select() 方法獲取通道信息。用於判斷是否有我們感興趣的事件已經發生了。

Selector 的操作就是以上 3 步,這裡來一個簡單的示例,大家看一下就好了。之後在介紹非阻塞 IO 的時候,會演示一份可執行的示例代碼。

Selector selector = Selector.open();

 

channel.configureBlocking(false);

 

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

 

while(true) {

  // 判斷是否有事件準備好

  int readyChannels = selector.select();

  if(readyChannels == 0) continue;

 

  // 遍歷

  Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

  Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();

  while(keyIterator.hasNext()) {

    SelectionKey key = keyIterator.next();

 

    if(key.isAcceptable()) {

        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.

 

    } else if (key.isConnectable()) {

        // a connection was established with a remote server.

 

    } else if (key.isReadable()) {

        // a channel is ready for reading

 

    } else if (key.isWritable()) {

        // a channel is ready for writing

    }

 

    keyIterator.remove();

  }

}

小結

到此為止,介紹了 Buffer、Channel 和 Selector 的常見接口。

Buffer 和陣列差不多,它有 position、limit、capacity 幾個重要屬性。put() 一下資料、flip() 切換到讀樣式、然後用 get() 獲取資料、clear() 一下清空資料、重新回到 put() 寫入資料。

Channel 基本上只和 Buffer 打交道,最重要的接口就是 channel.read(buffer) 和 channel.write(buffer)。

Selector 用於實現非阻塞 IO,這裡僅僅介紹接口使用,後續請關註非阻塞 IO 的介紹。

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